Chemia Analityczna Metody spektroskopowe Autor: prof. dr hab. inż. Marek Biziuk Edycja i korekta: mgr inż. Anna Jastrzębska Katedra Chemii Analitycznej Wydział Chemiczny Politechnika Gdańska 2001
METODY SPEKTROSKOPOWE 1 Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią 1.1 Dualistyczna natura promieniowanie:! falowa (polaryzacja, załamanie, dyfrakcja, interferencja)! fotonowa (efekt fotoelektryczny) 1.2 Podstawowe wielkości opisujące promieniowanie elektromagnetyczne: częstotliwość promieniowania czyli liczba drgań na sekundę, ν = c/λ ν częstość promieniowania w Hz lub 1/s 10 c = 3.00 10 cm / s - prędkość promieniowania w próżni λ długość fali, czyli odległość pomiędzy sąsiednimi maksimami w nm; Podstawową zasadą spełnioną przy oddziaływaniu promieniowania z materią jest zasada zachowania energii. Dotyczy min. absorpcji lub emisji promieniowania odbywających się pomiędzy poszczególnymi kwantami promieniowania a atomami lub cząsteczkami. E = h ν Energia przenoszona przez kwanty promieniowania, opisana jest równaniem Plancka: h stała Plancka _ E = h ν = h c / λ = h c ν h = 6.62 10 34 J s ν = 1 / λ liczba falowa - ilość fal w 1 cm 1.3 Formy energii wewnętrznej cząsteczek Na energię wewnętrzną układów materialnych będących zbiorowiskiem cząsteczek składają się:! energia kinetyczna ruchów postępowych (translacyjnych) cząsteczek,! energia ruchów obrotowych (rotacji),! energia drgań (oscylacji),! energia elektronów znajdujących się na orbitalach atomowych i cząsteczkowych,! w przypadku, gdy cząsteczki umieszczone są w polu magnetycznym, należy dodatkowo uwzględnić energię związaną z ukierunkowaniem spinu niesparowanych elektronów lub niektórych jąder wykazujących właściwości magnetyczne (takich jak 1 H, 13 C) w stosunku do wektora indukcji pola magnetycznego. _
1.4 Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego promieniowanie długość fali metoda spektroskopowa radiowe 1-1000m NMR Magnetyczny rezonans jądrowy mikrofalowe 10 6 10 8 nm EPR Paramagnetyczny rezonans jądrowy, rotacyjna podczerwone 750 10 6 nm w podczerwieni widzialne 400 750 nm w świetle widzialnym i UV, ramanowska nadfioletowe 10 400 nm w świetle widzialnym i UV, ramanowska, rentgenografia strukturalna rentgenowskie 10-3 10-1 nm rentgenografia strukturalna 1.5 Podział metod spektroskopowych absorpcyjne emisyjne cząsteczkowe Metody spektroskopowe IR Absorpcja w podczerwieni VIS Absorpcja w świetle widzialnym UV Absorpcja w nadfiolecie NMR Magnetyczny rezonans jądrowy EPR Paramagnetyczny rezonans jądrowy Spektrofluorymetria Spektrometria Ramana Fluorescencja Fotoluminescencja Fosforescencja Nefelometria Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego atomowe AAS Spektrometria absorpcyjna Absorpcja rentgenowska Fotometria płomieniowa Staloskopia Lampy Grimma Indukcyjnie ogniskowana plazma (ICP AES) Fluorescencja X, UV, VIS 2 Przegląd absorpcyjnych metod spektroskopowych 2.1 Ilościowa ocena zjawiska absorpcji Do scharakteryzowania intensywności zjawiska absorpcji używa się dwóch podstawowych wielkości: absorbancja (A) i transmitancja (T). 2.1.1 Transmitancja (lub przepuszczalność) Jest to stosunek intensywności promieniowania monochromatycznego po przejściu prze próbkę (I) do jego intensywności początkowej (I o ) I T = I o 2.1.2 Absorbancja Jest to logarytm z odwrotności transmitancji. Absorbancja jest wprost proporcjonalna do ilości cząsteczek absorbujących znajdujących się na drodze promieniowania prawo Lamberta Beera A = 1 lg T I = lg I o
I o = I a + I r + I t I o natężenie padającego promieniowania I a natężenie promieniowania zabsorbowanego i rozproszonego I r natężenie promieniowania odbitego lub rozproszonego przez układ (stałe dla danej aparatury względem odnośnika można pominąć) I t natężenie promieniowania przechodzącego (mierzonego) W odniesieniu do roztworów badanej substancji prawo Lamberta Beera przyjmuje postać: A = ε c l ε molowy współczynnik absorpcji c stężenie badanej substancji [mol/dm 3 ] l długość drogi optycznej w warstwie roztworu [cm] 2.1.3 Prawo addytywności Oznacza, że w przypadku mieszaniny substancji absorbujących promieniowanie elektromagnetyczne, sumaryczna absorbancja mieszaniny jest równa sumie absorbancji A i składników: A = A i i 2.1.4 Odstępstwa od prawa Lamberta Beera! Niedoskonałość przyrządów! Niespełnienie przez układ założeń: reakcje w roztworze przy wzroście stężenia (kondensacja, polimeryzacja, hydroliza), niemonochromatyczność padającego promieniowania, nakładanie się przekrojów czynnych cząsteczek, nieliniowa odpowiedź detektora, mętność roztworu. 2.2 Absorpcyjna spektroskopia cząsteczkowa 2.2.1 Schemat aparatury do absorpcji cząsteczkowej: ŹRÓDŁO PROMIENIOWANIA np. lampa z katodą wnękową MONOCHROMATOR KUWETA DETEKTOR 2.2.2 Metodyka 2.2.2.1 Wybór rozpuszczalnika! dobrze rozpuszcza badany związek! nie absorbuje w zakresie roboczym! obojętny chemicznie! nietoksyczny, nielotny, niehigroskopijny, tani. trwały, łatwo dostępny
2.2.2.2 Odnośnik - czysty roztwór o odpowiednim ph i analogicznej matrycy 2.2.2.3 Wybór długości fali! zwykle λ max! najbardziej różnicująca ślepą wartość i analizowaną próbkę! klasa przyrządu (tak by zła monochromatyzacja jak najmniej wpływała na błąd pomiaru absorbancji)! w przypadku mieszaniny jak najbardziej odległe 2.2.3 Błędy w spektroskopii absorpcyjnej Odstępstwa od prawa Lamberta-Beera:! odstępstwa instrumentalne - ujemne! odstępstwa chemiczne - dodatnie i ujemne Zależność względnego błędu pomiaru stężenia od absorbancji 2.2.4 Aparatura 2.2.4.1 Źródło promieniowania: Wymagania: ciągłość, równomierność rozkładu, stabilność.! żarówka wolframowa (widmo ciągłe do 350 nm; tylko 15 % energii na VIS)! do UV lampy rtęciowe, wodorowe, ksenonowe! do IR włókno Nernsta (mieszanina pierwiastków ziem rzadkich) lub Globar (węglik krzemu rozżarzony do temp. 1400 o C) 2.2.4.2 Optyka W IR zastępuje się soczewki zwierciadłami wklęsłymi. Nie ulegają one abberacji chromatycznej, mogą być sporządzone z trwałych materiałów, np. metal lub szkło aluminizowane. Nie ma też problemu przepuszczalności optycznej.! pryzmaty i naczynka absorpcyjne muszą być wykonane z materiału stałego, który jest przepuszczalny w zakresie roboczym (szkło optyczne, szkło kwarcowe, LiF, CaF 2, NaCl, KBr). 2.2.5 Wykorzystanie w analityce 2.2.5.1 Analiza jakościowa Identyfikacja związków organicznych nienasyconych i aromatycznych (niemożliwe dla mieszanin). 2.2.5.2 Analiza ilościowa:! krzywa absorpcji: A = f ( λ )! krzywa wzorcowa A = f ( c ) c x = A / ε l! spektroskopia różnicowa! oznaczanie obok siebie dwóch substancji, jeżeli ich maksima absorpcji są dostatecznie odległe (dla dwóch długości fali) A = c1ε11 + c2ε 21l m 1 A = c1ε12 + c2ε 22l m 2
2.2.5.3 Miareczkowanie fotometryczne (2 proste przecinające się w punkcie równoważnikowym) 2.2.5.4 Analiza przepływowa FIA (Flow Injection Analysis) 2.3 Spektroskopia absorpcji atomowej (AAS- Atomic Absorption Spectroscopy) Metoda wykorzystująca zjawisko absorpcji charakterystycznego promieniowania elektromagnetycznego przez wolne atomy znajdujące się w stanie podstawowym. Mierzymy osłabienie (rozproszenie) promieniowania elektromagnetycznego: c = 3.00 10 10 I = I e o cm / sek k- współczynnik absorpcji kc ŹRÓDŁO PROMIENIOWANIA np. lampa z katodą wnękową ATOMIZER np. palnik MONOCHROMATOR DETEKTOR REJESTRATOR GAZ PALNY GAZ NOŚNY ROZPYLACZ PRÓBKA
2.3.1 Wymogi stawiane promieniowaniu wykorzystywanemu w AAS:! jak najbardziej monochromatyczne! stabilne! dużym natężeniu 2.3.2 Rodzaje źródeł promieniowania! źródła emitujące promieniowanie ciągłe (lampa deuterowa, wodorowa lub wolframowa) wymagają stosowania monochromatorów o dużej zdolności rozdzielczej i dużego wzmacniania sygnału! lampy z katodą wnękową Jony gazu szlachetnego bombardują katodę (zbudowaną z analizowanego pierwiastka lub walca aluminiowego pokrytego analizowanym pierwiastkiem), wybijają z niej atomy analizowanego pierwiastka, które następnie ulegają wzbudzeniu na skutek zderzeń z rozpędzonymi jonami.! lampy wyładowcze wypełnione parami metali i gazem szlachetnym. Działają na zasadzie palenia się łuku elektrycznego. Ograniczone zastosowanie (rtęć, metale alkaliczne metale o niskiej temp. wrzenia)! lampy bezelektrodowe rurki kwarcowe z warstwą mieszaniny halogenków metali (np. jodeków). W polu źródła wysyłającego promieniowanie elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości (np. 2500 MHz) otrzymuje się intensywne widmo liniowe na tle słabego widma ciągłego (Hg, As, Sb, Cr lotne halogenki). 2.3.3 Zakłócenia w analizie AAS! Procesy emisji: - specyficzna (cieplna i fluoroscencja atomowa) mniespecyficzna! Rozpraszanie promieniowania (matryca)! Absorpcja cząsteczkowa 2.3.4 Korekcja tła! Korekcja metodą ślepej próby lub z zastosowaniem materiałów referencyjnych.! Korekcja metodą dwóch linii. Spektrometr dwukanałowy. Na jednym kanale mierzy się sumę absorbcji atomowej, cząsteczkowej i rozpraszania, a na drugiej absorbcji cząsteczkowej i rozpraszania dla linii nieabsorbowanej przez badane atomy (odległość spektralna linii jak najmniejsza: 0.5 5 nm).! Korekcja metoda Smith Hieftje (High speed self rewersal method). Lampa z katodą wnękowa emituje normalne widmo (wąska linia) oraz w krótkich impulsach o dużym natężeniu rozdwojone widmo. Szeroki pik jest, przede wszystkim, absorbowany przez tło.! Korekcja z lampą deuterową. Na przemian lampy HCL lub ECL i lampy deuterowej (widmo ciągłe). Absorpcja na tej samej drodze.! Korekcja tła z wykorzystaniem efektu Zeemana (rozszczepienie poziomów wolnych atomów w zewnętrznym polu magnetycznym). Z jednej linii powstają trzy, leżące blisko siebie, ale odmiennie spolaryzowane. Można je rozdzielić. Składowa odpowiadająca pierwotnej długości do pomiaru absorpcji całkowitej, a pozostałe do absorpcji cząsteczkowej i rozpraszania. Wady: spadek czułości, wzrost szumu lampy HCL oraz przydatność tylko do atomizacji elektrotermicznej.
2.3.5 Atomizery! Atomizery płomieniowe (próbka w aerozolu): mała wydajność atomizacji, niestabilność pracy, interferencje fizyczne i chemiczne.! Atomizery bezpłomieniowe: kuweta grafitowa (Lwow łuk prądu zmiennego; Massmann piec indukcyjny) etapy pracy: a) odparowanie rozpuszczalnika: 100 200 o C, kilkadziesiąt sekund; b) mineralizacja; odparowanie i atomizacja próbki: 1000 3000 o C, kilka sekund; c) czyszczenie kuwety piece kwarcowe, łódki tantalowe laser plazma bombardowanie powierzchni metalicznej elektronami lub jonami technika wodorkowa (As, Bi, Sb, Se, Sn, Te, Hg) HCl, NaBH 4 m = 0.6 % technika zimnych par (do rtęci) polega na przeprowadzeniu związków rtęci obecnych w próbce w postać rtęci metalicznej, którą z kolei wypłukuje się strumieniem gazu obojętnego. Gaz zawierający pary rtęci wprowadza się do detektora. 2.4 Magnetyczny rezonans jądrowy NMR Magnetyczny rezonans jądrowy spektroskopia jądrowa, absorpcyjna i magnetyczna. Przejścia pomiędzy poziomami energetycznymi (zeemanowskimi) powstającymi w polu magnetycznym. Oddziaływanie jądrowego momentu magnetycznego z zewnętrznym polem magnetycznym powoduje powstanie wyższego i niższego poziomu energetycznego jądra. Absorpcja promieniowania o częstotliwości radiowej 2.5 Elektronowy rezonans paramagnetyczny EPR Elektronowy rezonans paramagnetyczny Dotyczy substancji paramagnetycznych, tzn. mających niesparowane elektrony (rodniki i jony metali przejściowych). Zmiana magnetycznego momentu elektronowego.
3 Przegląd emisyjnych metod spektroskopowych 3.1 Fotometria płomieniowa 3.1.1 Aparatura PALNIK MONOCHROMATOR DETEKTOR GAZ PALNY GAZ NOŚNY ROZPYLACZ PRÓBKA 3.1.2 Palnik 3.1.2.1 Rodzaje płomieni gaz palny gaz miejski propan-butan acetylen acetylen acetylen wodór utleniacz powietrze powietrze powietrze tlen N 2 O tlen temperatura [K] 1980 2200 2600 3300 3220 2825 3.1.2.2 Promieniowanie własne płomienia! pasma Swana C 2! pasma OH 3.1.2.3 Zagadnienia związane z płomieniem! Parowanie rozpuszczalników - energochłonne! Palenie się rozpuszczalników - podwyższanie temperatury płomienia! Jonizacja! Wzbudzenie < 1 %! Samoabsorpcja! Poszerzenie pasm - Dopplera (ruchy cieplne) i Lorentza (zderzenia z innymi cząsteczkami)! Powstawanie związków trudnolotnych rekombinacja 3.1.2.4 Źródła błędów! Zmiany lepkości, napięcia powierzchniowego i temperatury roztworów badanych (problem płynów fizjologicznych i olejów mineralnych).! Dodawanie substancji powierzchniowo czynnych, rozpuszczalników organicznych,
gliceryny czy białka.! Zmiany ciśnień gazów. Powtarzanie cyklu pomiarów w kierunku odwrotnym.! Nakładanie się linii spektralnych.! Przesuwanie równowagi jonizacji (tłumienie jonizacji).! Efekt anionowy.! Tworzenie się trudnolotnych związków z glinem, wanadem, molibdenem itp. 3.1.2.5 Usuwanie źródeł błędów! Strącanie i odsączanie! Maskowanie! Buforowanie! Podstawianie 3.1.3 Filtry:! filtry szklane! filtry interferencyjne (ZnS; MgF 2 ) Charakterystyka pracy filtrów:! przepuszczalność maksymalna! przepuszczalność szczątkowa! szerokość spektralna! długość fali w maksimum przepuszczalność c2 Współczynnik specyficzności: F = c1 3.1.4 Monochromatory: urządzenie rozszczepiające + 2 szczeliny! pryzmaty λ zdolność rozdzielcza: R = = b D λ b - długość krawędzi podstawy dn D = - dyspersja materiałowa pryzmatu d λ n - współczynnik załamania światła a) pryzmaty równoramienne o kącie łamiącym 60 o b) pryzmat Rutherforda lub Amiciego - sklejany z różnych szkieł aby uzyskać duży kąt łamiący c) pryzmat Cornu; kwarc ze względu na rodzaj symetrii jest ciałem dwójłomnym, a więc otrzymujemy 2 promienie (2 pryzmaty - lewo i prawoskrętny) d) pryzmat Litrowa (kąt 30 o i lustrzana tafla)! siatki dyfrakcyjne: a) siatki odbiciowe wygrawerowane linie na powierzchni lustrzanej b) siatki profilowane określony kąt błysku c) siatki replikowe d) koło Rowlanda
3.1.5 Detektory! wizualny subiektywny; 0.4 0.8 mm cylindry Nesslera zaciemnianie jednej z linii porównywanie linii o tej samej jasności! fotograficzne: 0.2 1.2 mm problemy z wywołaniem, jakością kliszy i odczytaniem! fotoelektryczne: a) ogniwa fotoprzewodnościowe: PbS; PbSe (zmiana rezystancji ) b) fotoogniwo (płytka metalowa pokryta półprzewodnikiem Se lub CuO i warstwą srebra; pomiar na zasadzie różnicy potencjałów) c) fotokomórka (katoda pokryta metalem zdolnym do emisji elektronu) d) fotopowielacz CECHY DETEKTORÓW! czułość! liniowość! bezwładność! selektywność! specyficzność! zmęczenie! cena 3.1.6 Aparaty! jednokanałowe i wielokanałowe! pracujące metodą wzorca wewnętrznego! z kompensacja promieniowania pierwiastków przeszkadzających! fotometry z filtrami i spektrofotometry 3.1.7 Analiza ilościowa a) krzywa wzorcowa b) metoda roztworów ograniczających c) metoda dodatków 3.1.8 Technika fotometrowania a) przygotowanie roztworów wzorcowych b) wybór filtra lub fali c) ustawienie położenia palnika d) ustawienie szczeliny e) ustawienie przepływów gazów f) wybór zakresu wzmocnienia
3.2 Staloskopia 3.2.1 Łuk prądu stałego (10-20 A) zalety:! duża energia wyładowcza! wykrywa ślady do 10-3 % (analiza jakościowa) wady:! nierównomierne palenie się (duży błąd oznaczeń)! nagrzewanie się i topienie elektrod! otrzymywanie zaciemnionego obszaru widma (materiał elektrod)! duże ilości par metali! konieczność zapalania łuku przez zetknięcie elektrod 3.2.2 Łuk prądu zmiennego zalety: lepsza stabilność wady: konieczność podtrzymywania palenia 3.2.3 Iskra zalety:! wzbudzenie regularne i powtarzalne! dobre do analizy ilościowej! wysoka temperatura 10000 K (można wzbudzać pierwiastki o dużym potencjale wzbudzenia)! mało niszcząca analizowany obiekt (można analizować gotowe produkty) wady:! mniejsza wykrywalność! słabsze linie! obecność linii powietrza! charakter punktowy, a więc wpływ niejednorodności próbki 3.2.4 Metody analizy 3.2.4.1 Analiza jakościowa - 3 linie (najczęściej ostatnie) 3.2.4.2 Analiza ilościowa (ocena natężenia jednej z linii, najczęściej linii ostatniej):! metoda linii homologicznych! metoda linii ostatnich! metoda czasu zanikania linii! metoda krzywej kalibracyjnej! metoda zaciemniania jednej z linii 3.2.4.3 Charakterystyka linii analitycznej:! nie powinna nakładać się z inną linią! powinna posiadać dużą czułość! mało wrażliwa na wahania warunków wzbudzenia! stosunek natężenia porównywanych linii powinien zależeć jedynie od stężenia analizowanego pierwiastka, a nie od warunków wzbudzenia! nie powinna leżeć na tle ciągłym! porównywane linie powinny leżeć obok siebie i posiadać podobny wygląd
3.3 Indukcyjnie ogniskowana plazma ICP - AES Plazma istnieje w temp. powyżej 6000 o C. Jest to gaz, którego atomy lub cząsteczki w większym lub mniejszym stopniu rozpadają się na dodatnio naładowane nośniki (gaz jonizujący się: argon lub hel) Zalety:! brak absorpcji wewnątrz źródła! brak odwrócenia linii w strefie niskotemperaturowej! brak zakłóceń związanych z obecnością tlenu (np. w przypadku Si lub B)! możliwość oznaczania trudno wzbudzalnych atomów (Cl, Br, I, S) BUDOWA UKŁADU AES! generator wysokiej częstotliwości z celką indukcyjną! palnik plazmowy! układ rozpylania! zasilanie gazowe! spektrometr! układ do obróbki danych GRANICE OZNACZALNOŚCI:! metoda płomieniowa: 1 1000 ppb! metoda bezpłomieniowa: 0.01 50 ppb 3.4 Lampy Grimma Zasada działania podobna jest do działania lampy katodowej, z tym że katodą jest badana próbka. Analizie podlega promieniowanie emitowane. 3.5 Spektrofotometria Ramana Badanie promieniowania elektromagnetycznego rozproszonego niesprężyście na cząsteczkach danej substancji (zmiany stanu energetycznego oscylacyjno-rotacyjnego)! rozproszenie stokesowskie powrót oscylatora na wyższy poziom energetyczny E = hν hν o! rozproszenie antystokesowskie powrót oscylatora na poziom niższy E = hν + hν! rozproszenie Rayleigha powrót na ten sam poziom E = hν o 3.6 Metody fotoluminescencyjne (promieniowanie po czasie nie krótszym niż 10-10 ) (UV i VIS, dł. fali promieniowania emitowanego większa niż długość fali promieniowania wzbudzającego)! fluorescencja (krótki czas zaniku)! fosforescencja (długi czas zaniku)! chemiluminescencja! elektroluminescencja (zderzenia z cząsteczkami mającymi ładunek)! bioluminescencja o
3.7 Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego! wywołane strumieniem elektronów! dyfrakcja! pomiar długości fali identyfikacja! pomiar natężenia promieniowania 3.8 Spektrometria elektronów Augera Emisja elektronu (Augera) następuje w wyniku przekazania energii uwalnianej przy przegrupowaniu elektronów wewnętrznych elektronom z bardziej zewnętrznych powłok. 4 Bibliografia 1. A. Cygański, Metody spektroskopowe w chemii analitycznej, WNT, Warszawa 1993. 2. N.S. Połuektow, Analiza metodą fotometrii płomieniowej, WNT, Warszawa 1969. 3. M. Pinta, Absorpcyjna spektrometria atomowa, PWN, Warszawa 1977. 4. Z. Marczenko, Spektrofotometryczne oznaczanie pierwiastków, PWN, Warszawa 1979. 5. J. Szoplik, Analiza staloskopowa, PWT, Warszawa 1959.